综述：代谢组学在乳酸菌中的应用：鉴定、分类和功能分析

《Biotechnology Advances》：Metabolomics applications in lactic acid bacteria: Identification, classification, and functional analysis

乳酸菌代谢表型受环境显著影响，传统基因组学预测功能受限。代谢组学技术结合多组学整合及基因组尺度代谢模型（GSMMs）可有效解析LAB代谢适应性机制、功能差异及活性代谢物，为发酵食品和益生菌开发提供新方法。

　　

赵丽霞|刘文军

教育部乳品生物技术与工程重点实验室，内蒙古农业大学，呼和浩特，中国

摘要

背景

乳酸菌（LAB）的基因组特征与其表达的代谢特性之间的相关性有限，其代谢谱型受到生态和环境条件的强烈影响。近年来，代谢组学领域的进展使得能够高分辨率地分析乳酸菌特有的代谢指纹和生物活性化合物。然而，诸如代谢物不稳定性、乳酸菌衍生代谢物注释不完整以及复杂发酵基质中的环境干扰等问题仍然阻碍着数据标准化、可重复性和机制解释。

范围和方法

本文综述了乳酸菌代谢组学的最新进展，强调了先进的分析平台与单细胞技术和基于代谢流的方法相结合如何提高菌株鉴定、代谢表型分析和功能性代谢物的发现能力。此外，还讨论了乳酸菌特异性方法学挑战以及系统发育关系与代谢组学表型之间的不一致性，并探讨了将代谢组学与基因组规模代谢模型（GSMMs）和多组学框架整合起来如何提高功能预测的准确性并提供更深入的机制见解。

主要发现和结论

总体而言，代谢组学的整合通过实现菌株特异性的功能区分和从代谢表型直接推断适应性特征，正在改变乳酸菌的功能研究。随着代谢组学与多组学数据集、基因组规模代谢模型和实验验证方法的日益结合，一个更加统一的乳酸菌功能分析框架正在形成。这种综合方法为机制阐明、功能菌株选择以及在发酵食品系统中的靶向应用提供了坚实的基础。

引言

乳酸菌（LAB）以其显著的发酵能力、环境适应性和益生菌潜力，在食品科学、微生物生态学和宿主-微生物相互作用研究中占据核心地位。尽管乳酸菌基因组学取得了实质性进展，但越来越多的证据表明，仅凭基因组组成或传统的表型标记往往无法准确预测其功能表现（You等人，2023年；Molina等人，2025年）。多项研究表明，即使基因组高度相似的乳酸菌菌株，在不同的环境条件、营养环境或微生物生态系统中也会表现出明显的代谢谱型差异、底物利用偏好和益生菌相关特性（Rozman等人，2023年；Cifuentes等人，2025年）。这一现象突显了乳酸菌中基因型与表型之间的广泛脱钩（O'Donnell等人，2019年）。虽然基因组结构决定了功能潜力的上限，但实际的代谢状态受到复杂调控机制、环境信号和生态相互作用的影响（Kahraman，2025年）。

在这种情况下，作为系统生物学的重要组成部分，代谢组学已成为阐明乳酸菌功能特性和代谢调控机制的关键工具，因为它能够直接捕捉细胞内外的实际代谢流、反应产物及其动态变化。与其他许多微生物不同，乳酸菌的核心工业应用——包括发酵质量的调控、风味化合物的形成、酸度的变化、生物活性代谢物的生物合成以及益生菌效应——都与其代谢活动密切相关（Detman等人，2021年；Liu等人，2021年；Tang等人，2023年）。因此，代谢组学不仅对于绘制乳酸菌的代谢网络至关重要，而且对于理解其工业性能和健康促进特性也具有基础性意义。

近年来，高分辨率质谱技术、核磁共振光谱、多维色谱、单细胞代谢组学和代谢流分析的快速发展显著扩展了乳酸菌代谢组学研究的范围和分辨率。这些技术进步使研究人员能够系统地研究乳酸菌在复杂生态位中的代谢适应机制、生物活性代谢物、功能表型和菌株特异性调控模式，涵盖乳制品（Ma等人，2024年；Liu等人，2025年）、植物基发酵食品（Marco等人，2021年）和胃肠道（Chen等人，2024年）等领域。越来越多的证据表明，乳酸菌表现出高度菌株特异性和生态依赖性的代谢谱型，这些代谢指纹不仅有助于菌株分类，还能揭示潜在的功能分组（Smid和Lacroix，2013年）。然而，一个持续存在的挑战是：代谢谱型并不总是与系统发育关系一致。在没有基因组和生态信息或多组学整合的情况下，仅凭代谢数据可能会导致对功能机制的误解或高估（Kahraman，2025年；Wang等人，2025年）。

基于这些观察结果，本文系统总结了代谢组学在乳酸菌研究中的核心应用进展，包括菌株鉴定和分类、代谢模式特征分析以及功能性代谢物的发现。此外，还讨论了代谢组学与基因组规模代谢模型（GSMMs）和多组学策略的整合潜力，并批判性地评估了当前的方法学局限性和未来研究方向。通过采用结合基因组学、代谢组学和生态相互作用的综合视角，本文旨在突出代谢组学在解析乳酸菌功能多样性方面的独特价值，并为其在食品科学和益生菌开发中的精确应用提供理论和方法论基础。同时，本文还概述了基于代谢组学的工作流程及其与其他分析方法的整合（图1）。

小节摘录

代谢和代谢组学的生物学基础

细胞代谢包括一系列相互连接的酶促反应，这些反应驱动能量转换、生物合成过程和对环境刺激的适应性响应，构成了维持生命的基本基础（Nielsen，2005年）。在这个网络中，代谢物通过合成、降解和转化等复杂过程流动，不仅反映了细胞的当前生理状态，还体现了其对环境刺激的实时响应。

乳酸菌中的代谢组学应用

乳酸菌研究中的代谢组学应用主要可以分为三个维度。首先，代谢组学指纹分析基于特征性的代谢特征实现菌株级别的鉴定和分类；其次，代谢表型分析提供了关于功能差异、代谢模式和调控机制的关键见解；第三，代谢组学有助于发现功能性代谢物并阐明其生物学作用。

乳酸菌中的多组学整合与建模

随着系统生物学的进步，乳酸菌研究已从单组学分析转向多维数据整合。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学各自揭示了乳酸菌的不同生物学信息层次，而基因组规模代谢模型（GSMMs）为整合这些数据集和解析代谢调控机制提供了结构化框架（Arkin等人，2018年）。通过数学表示代谢反应网络，GSMMs可以预测代谢流。

当前挑战与未来展望

尽管代谢组学在乳酸菌研究中的应用取得了显著进展，但在领域层面仍存在一些系统性瓶颈。首先，乳酸菌代谢物的结构多样性和环境敏感性继续对其检测、定量和注释构成重大挑战；现有数据库和参考标准的覆盖范围有限，导致许多代谢信号未被识别，限制了代谢途径重建和功能机制分析的深度。

结论

总体而言，代谢组学已成为乳酸菌研究中不可或缺的工具，为菌株鉴定和分类、代谢途径特征分析以及益生菌菌株的功能评估提供了前所未有的分辨率。然而，要充分发挥代谢组学的潜力，还需要在方法学上取得进步，包括实验工作流程的标准化、与互补多组学数据集的整合、关键代谢物的机制验证等。

作者贡献声明

赵丽霞：概念构思；撰写初稿；审稿和编辑；实验研究；数据分析。刘文军：实验研究；数据验证；审稿和编辑；概念构思；撰写和审稿。

未引用参考文献

van der Hee, 2021

Zhihua Li, 2024

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（U23A20260）和内蒙古自治区高等学校青年科学技术人才项目（NYT22042）的支持。